Avec le changement climatique, la demande en matière de construction s'oriente de plus en plus vers le refroidissement. Avec les champs de forage, il est possible d'avoir un refroidissement passif (également appelé free cooling), mais le dimensionnement de votre champ de forage de cette manière est assez coûteux. C'est pourquoi l'option du refroidissement actif est parfois proposée pour réduire le coût de l'investissement. Toutefois, cette solution augmente la consommation d'électricité par rapport au refroidissement passif. Cet article examine si et comment il est possible de concevoir un champ de forage pour le refroidissement actif tout en maximisant l'utilisation du refroidissement passif.
Le défi de la conception
Les systèmes géothermiques ont suscité un grand intérêt dans le cadre de la transition énergétique en raison de leur capacité à fournir aux utilisateurs un refroidissement passif. Cela signifie qu'aucune pompe à chaleur n'est nécessaire pour refroidir le bâtiment, puisque nous utilisons directement le froid stocké dans le sol (d'où le terme alternatif : ‘free cooling’). Pour utiliser directement ce froid, nous devons veiller à ce que la température moyenne de notre fluide ne dépasse pas une certaine limite, généralement fixée entre 16 et 18 °C. Le dimensionnement des champs de forage pour le refroidissement passif exige donc le respect de limites de température très strictes, ce qui augmente la taille du champ de forage nécessaire pour les bâtiments dont la demande de refroidissement est élevée.
L'autre option traditionnelle consiste à renoncer au refroidissement passif et à dimensionner le champ de forage pour qu'il fonctionne avec un refroidissement actif, en utilisant une pompe à chaleur pour refroidir le bâtiment. Cette solution consomme plus d'électricité mais supprime la contrainte du maintien de la plage de 16-18°C pour le refroidissement passif. Le refroidissement actif permet donc d'obtenir un champ de forage plus petit, mais avec un coût d'exploitation plus élevé.
Pour illustrer cette différence, examinons un exemple typique.
Exemple de bâtiment : auditorium
Dans le climat belge, la demande annuelle de chauffage d'un auditorium est généralement plus élevée que la demande de refroidissement, mais le pic de refroidissement est souvent plus élevé que le pic de chauffage. Ceci est dû au fait que le chauffage est souvent fourni par un système à émission lente comme le chauffage par le sol, alors que le refroidissement est fourni par un système tout air. La courbe de durée de charge de ce bâtiment est présentée ci-dessous.
Comme on le voit, l'auditorium a une pointe de chauffage de 32 kW et une pointe de refroidissement de 90 kW. Cependant, la demande d'énergie est de 38,3 MWh/an et de 3,86 MWh/an pour le chauffage et le refroidissement, respectivement. Dimensionnons maintenant ce champ de forage pour le refroidissement passif et actif.
Dimensionné pour un refroidissement passif
Si nous dimensionnons notre champ de forage pour un refroidissement passif, nous devons nous assurer que la température moyenne du fluide reste inférieure à 17°C, faute de quoi notre système d'émission ne pourra pas répondre à la demande de refroidissement. Il en résulte une longueur totale de forage nécessaire de 2310 m et une consommation d'électricité de 193 kWh/an (en utilisant un SEER de 20). Voici le profil horaire de la température.
!Note
Bien que le refroidissement passif soit souvent qualifié de ‘gratuit’, une pompe de circulation fonctionne en permanence pour le champ de forage. Par conséquent, notre efficacité de refroidissement (SEER) est limitée, typiquement autour de 20-25.
!Note
Si vous ne savez pas comment interpréter ces profils de température, vous pouvez consulter notre article à ce sujet ici.
Dimensionné pour le refroidissement actif
En supprimant la restriction du refroidissement passif, nous pouvons augmenter la température moyenne maximale du fluide jusqu'à, par exemple, 25°C. Cela réduit considérablement la taille de notre champ de forage à 990 m de longueur totale, avec une consommation annuelle d'électricité de 772 kWh/an (en supposant un SEER de 5 en refroidissement actif).
!Attention
Bien qu'il n'y ait pas de limite technique à la température moyenne maximale du fluide, il est conseillé de la maintenir sous contrôle afin d'éviter toute atteinte à l'environnement. Veuillez vérifier la législation locale pour connaître les éventuelles restrictions concernant les températures des fluides.
Comme nous l'avons démontré, il existe une différence significative dans la longueur totale du forage nécessaire (2310 m pour le refroidissement passif contre seulement 990 m pour le refroidissement actif) et la consommation d'électricité (193 kWh/an contre 772 kWh/an). Cela soulève la question de la conception : est-il possible de conserver la conception du refroidissement actif tout en obtenant l'efficacité du refroidissement passif ? Peut-on combiner le meilleur des deux mondes ?
Méthodologie Design
Il y a deux façons d'aborder ce problème de conception : soit le refroidissement actif par défaut pendant certains mois, soit le refroidissement actif lorsqu'un seuil de température spécifique est dépassé, quelle que soit la période de l'année. Ces deux méthodes sont mises en œuvre dans GHEtool Cloud et seront examinées ci-dessous.
Mois fixes
Une façon de combiner le refroidissement actif et passif est d'utiliser le refroidissement actif exclusivement pendant certains mois. Cette approche est similaire à celle d'un système de commutation central où, en fonction de la demande de refroidissement, il peut être nécessaire de recourir à des systèmes d'émission qui nécessitent un régime de fluide plus faible, ce que le champ de forage ne peut pas fournir. Cette méthode consiste à définir l'efficacité du refroidissement actif et passif et à déterminer les mois au cours desquels le refroidissement actif sera utilisé. Sur la base de ces informations, l'algorithme calcule la charge au sol résultante, génère le profil de température correspondant et renvoie une moyenne de SEER.
En appliquant cette méthode au cas de l'auditorium, en utilisant les mêmes valeurs SEER que précédemment pour le refroidissement actif et passif et en refroidissant activement de juin à septembre, nous obtenons un SEER moyen de 5,24 et une consommation annuelle d'électricité de 737 kWh/an (ce qui est presque identique au cas de refroidissement actif 100%).
Ce résultat est compréhensible en analysant les graphiques ci-dessus. En optant par défaut pour le refroidissement actif pendant l'été, la quasi-totalité de la demande de refroidissement est satisfaite de manière active, seule une partie négligeable étant passive, à l'exception d'un pic de refroidissement passif à la fin du mois de mai. Dans ce cas, nous devons installer 32 kW pour le refroidissement passif et 90 kW pour le refroidissement actif.
Seuil de température
Une autre approche pour combiner le refroidissement actif et passif est basée sur le principe : “Passif quand c'est possible, actif quand c'est nécessaire”, visant à maximiser le refroidissement passif. Cette méthode consiste à fixer un seuil de température : si la température du fluide reste inférieure à ce seuil, le refroidissement passif est utilisé ; si elle dépasse le seuil, le refroidissement actif est utilisé.
Cette méthode fonctionne comme suit :
- Définir l'efficacité du refroidissement actif et passif
- Définir le seuil de température à partir duquel le refroidissement est actif
- Calculer la charge au sol résultante, en supposant un refroidissement passif uniquement
- Calculer le profil de température
- Vérifier si la température moyenne maximale du fluide est supérieure au seuil passif.
- Si oui, recalculer la charge au sol résultante, chaque heure pendant laquelle la température est supérieure au seuil étant un refroidissement actif.
- Si non, passer à (7)
- Recalculer le profil de température/dimensionner le champ de forage
- Moyenne de retour SEER
En utilisant cette méthodologie, nous obtenons un système géothermique avec un SEER moyen de 13,06 et une consommation annuelle d'électricité de 296 kWh, ce qui représente une amélioration significative par rapport au cas précédent.
!Note
Lors de l'utilisation de la méthode du seuil de température, la moyenne SEER est calculée sur l'ensemble de la période de simulation. L'énergie en MWh dans le diagramme de la part du refroidissement passif représente également l'énergie annuelle moyenne pour le refroidissement passif. En effet, en raison d'un déséquilibre thermique, les conditions du sol peuvent changer au fil du temps, ce qui peut augmenter ou diminuer la part du refroidissement passif chaque année.
La principale raison de cette amélioration est visible dans la figure ci-dessus, où l'on constate encore un refroidissement passif considérable pendant l'été. Cela dépend fortement du profil de la demande de refroidissement. Pour les champs de forage qui sont thermiquement limités dans le troisième ou le quatrième quadrant, le refroidissement actif peut ne faire aucune différence.
!Note
Si vous n'avez pas lu notre article sur les quadrants des champs de mines, vous pouvez le consulter. ici.
L'analyse du profil de la demande de refroidissement sur l'ensemble de la période de simulation révèle que le refroidissement passif augmente d'année en année. Ceci est dû au déséquilibre thermique négatif de l'auditorium (rappelons que sa demande de chauffage est presque dix fois plus élevée que sa demande de refroidissement). En conséquence, le sol se refroidit au cours de la période de simulation, ce qui augmente la part du refroidissement passif chaque année et, par conséquent, la moyenne de SEER au fil du temps.
Conclusion
Le refroidissement actif et le refroidissement passif ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients. Le refroidissement actif entraîne des coûts d'investissement nettement inférieurs mais une consommation d'électricité plus élevée, tandis que le refroidissement passif a l'effet inverse. Cet article a démontré qu'en dimensionnant votre champ de forage pour un refroidissement actif, mais en veillant à ce que le refroidissement passif soit utilisé chaque fois que possible, vous pouvez obtenir un SEER moyen de 13 ! L'intégration du refroidissement actif et passif présente un potentiel considérable. Dans le prochain article, nous vous montrerons comment le calculer à l'aide de GHEtool Cloud. Restez à l'écoute !
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.
- Pour plus d'informations sur le refroidissement actif et passif, voir (Coninx et al, 2024).